新型光催化剂可提高水的产氢率

随着化石燃料的耗竭和我们的星球因其燃烧而面临的环境问题，发展清洁能源发电技术是一个全球关注的话题。在提出的各种产生清洁能源的方法中，光催化水分解显示出很大的前景。该方法利用太阳能将水(H₂O)分子，得到二氢(H₂）.H₂然后可以用作无碳燃料或作为生产许多重要化学品的原料。

现在，由东京工业大学Kazuhiko Maeda领导的一个研究小组开发了一种新的光催化剂，它由纳米级金属氧化物薄片和钌染料分子组成，其工作原理类似于染料敏化太阳能电池。而金属氧化物的光催化活性，整体水分裂成H₂和O₂具有较宽的带隙，染料敏化氧化物可以利用太阳光的主要成分可见光(图1)₂以每小时1960的更替频率和2.4%的外量子产率。

这些结果是可见光下染料敏化光催化剂的最高记录，使Maeda的团队朝着人工光合作用的目标又迈进了一步——复制利用水和阳光可持续生产能源的自然过程。

新材料，报道美国化学学会杂志，是由高比表面积的铌酸钙纳米片(HCa₂注_3.O₁₀)嵌入铂(Pt)纳米团簇作为H₂发展的网站。然而，铂修饰的纳米片不能单独工作，因为它们不能有效地吸收阳光。因此，一种可见光吸收光的钌染料分子与纳米片结合，使太阳能驱动的H₂进化(图2)。

使这种材料高效的是纳米片的使用，这可以通过层状HCa的化学剥离获得₂注_3.O₁₀．纳米片的高表面积和结构灵活性最大限度地增加了染料的负载和密度₂这反过来又改善了H₂进化效率。此外，为了优化性能，Maeda的团队用无定形氧化铝修饰了纳米片，它在提高电子转移效率方面起着重要作用。“在反应过程中，氧化铝对纳米薄片的改性促进了染料的再生，而不妨碍电子从激发态染料注入到纳米薄片——染料敏化H₂进化。”Maeda说。

“直到最近，人们还认为要实现H₂利用高效的染料敏化光催化剂，在可见光下进行整体水分解。”Maeda解释道。“我们的新结果清楚地表明，使用一种精心设计的分子-纳米材料混合材料，这确实是可能的。”

还需要做更多的研究，进一步优化混合光催化剂的设计，以提高效率和长期耐用性。光催化水分解可能是在不进一步破坏环境的情况下满足社会能源需求的关键手段，而像这样的研究是实现我们绿色未来目标必不可少的垫脚石。

来源:https://www.titech.ac.jp/english/